A subcamada de controle de acesso ao meio

Transcrição

1 A subcamada de controle de acesso ao meio

2 Introdução Iremos abordar redes de difusão e seus protocolos. A questão fundamental é determinar quem tem direito de usar o canal quando há uma disputa por ele Os canais de difusão às vezes são referidos como canais de multiacesso ou canais de acesso aleatório

3 Introdução Os protocolos usados para determinar quem será o próximo em um canal de multiacesso pertencem a uma subcamada da camada de enlace de dados, chamada subcamada MAC (Medium Access Control) A subcamada MAC é especialmente importante em LANs que, em sua maioria, utilizam um canal de multiacesso como base de sua comunicação.

4 O problema de alocação de canais Alocação estática de canais em LANs e MANs Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs

5 Alocação estática de canais em LANs e MANs A maneira tradicional de alocar um único canal, é usar a FDM (Frequency Division Multiplexing) Se existem N usuários, a largura de banda é dividida em N partes do mesmo tamanho. Como cada usuário tem uma banda de freqüência particular, não há interferência entre eles

6 Alocação estática de canais em LANs e MANs Quando o número de transmissores é grande e continuamente variável, ou quando o tráfego ocorre em rajadas, a FDM apresenta alguns problemas. Se o espectro for dividido em N áreas, e menos de N usuários estiverem interessados em estabelecer comunicação no momento, uma grande parte do espectro será desperdiçada. Se mais de N usuários quiserem se comunicar, alguns deles terão o acesso negado por falta de largura de banda, mesmo que alguns dos usuários aos quais foi alocada uma banda de freqüência raramente transmitam ou recebam dados.

7 Alocação estática de canais em LANs e MANs O problema básico é que, quando alguns usuários ficam inativos, sua largura de banda é simplesmente perdida. Na maioria dos sistemas de computadores, quase todo o tráfego de dados ocorre em rajadas São comuns relações de 1000:1 entre o tráfego de pico e o tráfego médio. Em conseqüência disso, a maioria dos canais permanecerá ociosa na maior parte do tempo.

8 Alocação estática de canais em LANs e MANs A técnica FDM apresenta um fraco desempenho. O retardo médio usando FDM é N vezes pior do que seria se todos os quadros estivessem de organizados de maneira ordenada em uma grande fila central.

9 Alocação estática de canais em LANs e MANs Os mesmos também se aplicam à TDM (Time Division Multiplexing) Para cada usuário, é alocado estaticamente o N-ésimo slot de tempo. Se o usuário não empregar o slot alocado, este será simplesmente desperdiçado.

10 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Cinco premissas fundamentais subjacentes a todo trabalho realizado nessa área: Modelo da estação Premissa de canal único Premissa de colisão Tempo contínuo / Tempo segmentado (slotted) Tempo segmentado (slotted) / Não há detecção de portadora

11 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Modelo da estação O modelo consiste em N estações ou terminais independentes que gera quadros para transmissão. A probabilidade de um quadro ser gerado em um intervalo de duração t é λδt, onde λ é uma constante (a taxa de chegada de novos quadros). Uma vez gerado um quadro, a estação é bloqueada e nada faz até que o quadro tenha sido transmitido com êxito.

12 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Premissa de canal único Um único canal está disponível para todas as comunicações. Todas as estações podem transmitir e receber por ele. No que se refere ao hardware, todas as estações são equivalentes, embora um software de protocolo possa atribuir prioridades a elas.

13 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Premissa de colisão Se dois quadros são transmitidos simultaneamente, eles se sobrepõem no tempo, e o sinal resultante é adulterado (colisão). Todas as estações podem detectar colisões. Um quadro que tenha sofrido colisão terá de ser retransmitido posteriormente. Não há outros erros além dos gerados por colisões.

14 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Tempo contínuo A transmissão por quadro pode começar a qualquer instante. Não há um relógio-mestre dividindo o tempo em intervalos discretos.

15 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Tempo segmentado (slotted) O tempo é dividido em intervalos discretos (slots). As transmissões de quadros sempre começam no início de um slot. O slot pode conter 0, 1 ou mais quadros,correspondentes a um slot ocisoso, uma transmissão bem-sucedida ou a uma colisão, respectivamente.

16 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Detecção de portadora (carrier sense) As estações conseguem detectar se o canal está sendo usado antes de tentarem utilizá-lo. Se for detectado que o canal está ocupado, nenhuma estação tentará usá-lo até que ele fique livre.

17 Alocação dinâmica de canais em LANs e MANs Não há detecção de portadora As estações não conseguem detectar o canal antes de tentar utilizá-lo. Elas simplesmente vão em frente e transmitem, detectando depois se a transmissão foi bem sucedida ou não.

18 Protocolos de acesso múltiplo ALOHA Desenvolvido na Universidade do Havaí A idéia básica é aplicável a qualquer sistema em que usuários descoordenados estão competindo pelo uso de um único canal compartilhado. A idéia básica de um sistema ALOHA é simples: permitir que os usuários transmitam sempre que tiverem dados a ser enviados.

19 Protocolos de acesso múltiplo ALOHA Naturalmente, haverá colisões, e os quadros que colidirem serão danificados. Devido à propriedade de feedback da difusão, um transmissor sempre consegue descobrir se seu quadro foi ou não destruído. Bastando para isso escutar a saída do canal.

20 Protocolos de acesso múltiplo ALOHA Se não for possível por alguma razão realizar a escuta durante a transmissão, serão necessárias confirmações. Se o quadro foi destruído, o transmissor apenas espera um período de tempo aleatório e o envia novamente. O tempo de espera deve ser aleatório, pois senão os mesmos quadros continuarão a colidir repetidas vezes.

21 Protocolos de acesso múltiplo ALOHA Sempre que dois quadros tentarem ocupar o canal ao mesmo tempo, haverá uma colisão e ambos serão danificados. Se o primeiro bit de um novo quadro se sobrepuser apenas ao último bit de um quadro quase terminado, os dois quadros serão totalmente destruídos e terão de ser retransmitidos posteriormente.

22 Protocolos de acesso múltiplo Protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access) No protocola ALOHA as estações podem transmitir a vontade sem perceber se a portadora está disponível ou não. Em LANs as estações podem detectar o que outras estão fazendo e adaptarem seu comportamento de acordo com essa situação.

23 Protocolos de acesso múltiplo CSMA persistente e não persistente Quando uma estação tem dados a transmitir, ela primeiro escuta o canal para ver se mais alguém está transmitindo no momento. Se o canal estiver ocupado, a estação esperará até que ele fique ocioso. Quando detectar um canal desocupado, a estação transmitirá um quadro. Se ocorrer uma colisão, a estação esperará um intervalo de tempo aleatório e começará tudo de novo. Esse protocolo é denominado 1-persistente, porque a estação transmite com probabilidade 1 sempre que encontra o canal desocupado.

24 Protocolos de acesso múltiplo CSMA persistente e não persistente O retardo de propagação tem um efeito importante sobre o desempenho do protocolo. Se o sinal da primeira estação ainda não tiver atingido à segunda, esta detectará um canal desocupado e também começará a transmitir, resultando em uma colisão. Quanto maior for o retardo de propagação, maior será a importância desse efeito e pior será o desempenho do protocolo.

25 Protocolos de acesso múltiplo CSMA persistente e não persistente Mesmo que o retardo de propagação seja zero, ainda assim haverá colisões. Se duas estações ficarem prontas durante a transmissão de uma terceira, ambas terão de esperar até que a transmissão se encerre. E depois as duas começarão a transmitir ao mesmo tempo, resultando em uma colisão.

26 Protocolos de acesso múltiplo CSMA persistente e não persistente Um segundo protocolo com detecção de portadora é o CSMA não persistente. Antes de transmitir, uma estação escuta o canal. Se ninguém mais estiver transmitindo, a estação iniciará a transmissão. No entanto, se o canal já estiver sendo utilizado, a estação não permanecerá escutando continuamente a fim de se apoderar de imediato do canal após detectar o fim da transmissão anterior.

27 Protocolos de acesso múltiplo CSMA persistente e não persistente Em vez disso, a estação aguardará durante um intervalo de tempo aleatório, e, em seguida, repetirá o algoritmo. Conseqüentemente, esse algoritmo leva a uma melhor utilização do canal, e a retardos maiores do que no CSMA 1-persistente.

28 Protocolos de acesso múltiplo CSMA persistente e não persistente O último protocolo é o CSMA p-persistente Quando está pronta para transmitir, a estação escuta o canal Se estiver desocupado, a estação transmitirá com uma probabilidade p Com uma probabilidade q = 1 - p, haverá um adiamento até o próximo slot. Esse processo se repete até o quadro ser transmitido ou até que outra estação tenha iniciado uma transmissão.

29 Protocolos de acesso múltiplo CSMA com detecção de colisões (CSMA/CD) Um avanço para o protocolo CSMA é capacidade de detecção de colisão Se duas máquinas transmitam simultaneamente elas iram detectar a colisão e parar a transmissão dos pacotes. A interrupção rápida dos quadros com erros economiza tempo e largura de banda. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), é amplamente usado na subcamada MAC de LANs.

30 Protocolos de acesso múltiplo CSMA com detecção de colisões (CSMA/CD) No ponto marcado com t0, uma estação terminou a transmissão de um quadro. As colisões podem ser detectadas verificando-se a potência e a largura do pulso do sinal recebido e comparando-o com o sinal transmitido.

31 Protocolos de acesso múltiplo CSMA com detecção de colisões (CSMA/CD) Quanto tempo elas levarão para perceber que houve uma colisão? A resposta a essa pergunta é essencial para determinar a duração do intervalo de disputa e, portanto, o retardo e o throughput. O tempo mínimo para detecção de uma colisão é apenas o tempo que o sinal leva para se propagar de uma estação até a outra.

32 Protocolos de acesso múltiplo CSMA com detecção de colisões (CSMA/CD) Uma estação transmissora deve monitorar continuamente o canal, em busca de rajadas de ruído que possam indicar uma colisão. Por essa razão, o CSMA/CD com um único canal é inerentemente um sistema half-duplex.